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Il termine microalghe , talvolta chiamato microfite , si riferisce alle alghe microscopiche .
Le microalghe sono consumate da migliaia di anni in tutto il mondo. Ad esempio, sono state trovate tracce del consumo di varie specie di microalghe in Messico al tempo degli Aztechi. L'Europa ei paesi industrializzati utilizzano le microalghe come integratori alimentari per combattere la malnutrizione e per l' acquacoltura .
Sono coltivati in ambiente esterno, in canalette, o in ambiente chiuso, in fotobioreattori .
Unicellulari o multicellulari indifferenziati, sono generalmente microrganismi fotosintetici eucarioti o procarioti .
Vivendo in ambienti fortemente acquosi, possono avere mobilità flagellare . Colonizzano tutti i biotopi esposti alla luce. La loro coltura monoclonale viene effettuata in fotobioreattori o fermentatori industriali. Tuttavia, la grande maggioranza delle microalghe sono in grado di alimentarsi di notte per osmotrofia e sono quindi di fatto mixotrofi .
Svolgono un ruolo importante nel ciclo del carbonio e più in generale nei cicli biogeochimici dei laghi e degli oceani .
La sensibilità di alcune microalghe a determinati inquinanti ( rame , idrocarburi ad esempio) può conferire loro un valore di bioindicatore .
Alcuni sono importanti nei fenomeni di bioaccumulo e bioconcentrazione nella catena alimentare .
Le microalghe eucariotiche sono molto diverse:
Le microalghe procariotiche includono tutti i cianobatteri (precedentemente chiamati "alghe blu").
Stiamo cercando di capire (con la fotobiologia ) come potenziare la produzione di idrogeno da parte delle microalghe. Coltivandoli in un mezzo carente di zolfo (condizioni facili da raggiungere in laboratorio) o di fosforo, si genera una produzione di idrogeno, che può essere utilizzata ad esempio per alimentare celle a combustibile a idrogeno.
Tuttavia, la produzione su larga scala pone un problema: nei reattori biologici si moltiplicano rapidamente e diventano troppo numerosi, la coltura diventa opaca consentendo solo allo strato esterno di ricevere abbastanza luce per effettuare la fotosintesi. L'esposizione di un raccolto a molta luce richiede una vasta area o installazioni complesse e costose. L'estrazione proficua dell'idrogeno è un'altra sfida.
Esiste una grande diversità di microalghe, distribuite su tutta la superficie del globo, con vari metabolismo e adattamenti, che potrebbero farne una futura risorsa di energia rinnovabile, pulita e sicura .
Attualmente il mercato è governato dai cosiddetti biocarburanti di prima generazione derivanti dalla coltivazione di soia, palma o mais e altri cereali (biodiesel e bioetanolo). Il loro metodo di coltivazione e il loro impatto sull'aumento dei prezzi dei cereali, nonché la loro minaccia alla biodiversità, hanno portato l'Unione europea a impegnarsi nello sviluppo di biocarburanti di seconda e terza generazione. La seconda generazione si basa sull'utilizzo di biomasse lignocellulosiche non utilizzate per l'agroalimentare (foglie, cortecce, paglia, ecc.) e biomasse provenienti dalla coltivazione di piante molto produttive e poco impegnative ( bambù ...). Tuttavia, la vera innovazione arriva principalmente dalla terza generazione di biocarburanti.
La ricerca si basa sulle microalghe fitoplanctoniche , in particolare su una collezione di 300 specie selezionate per la loro ricchezza in lipidi, comprendente molti gruppi come le Cloroficee ( Chlorella , Dunaliella , Parietochloris incisa ), Cianoficee ( Spirulina ), Diatomee ( Amphora sp., Nitzchia sp., Chaetoceros sp.) o Chrysophyceae. Queste specie sono considerate organismi estremamente produttivi (più delle piante terrestri), a crescita rapida (raddoppio della biomassa in un giorno) e ricchi di petrolio (elemento di interesse). Tutto questo lavoro è ora liberamente pubblicato sul sito web del National Renewable Energy Laboratory (NREL, 1998), e costituisce un documento di riferimento.
Grazie alle loro piccole dimensioni (0,4 mm ) e al loro tempo di riproduzione (circa 3,5 h), presentano un netto vantaggio rispetto alle precedenti generazioni di biocarburanti (Greg Mitchell dello Scripps Institute of Oceanography, University of California, San Diego (UCSD) Secondo l'americana Exxon Mobil (gigante del petrolio) la produttività delle alghe potrebbe raggiungere i 7.580 litri di petrolio per acro, molto più avanti degli attuali biocarburanti.
La microalga euglena è un esempio tangibile di una fonte di biocarburante a base di microalghe. Infatti, nel 2015, la società giapponese Euglena (società) fornisce un autobus giornaliero a biocarburanti, costituito dall'1% di euglena . La compagnia punta anche a sviluppare biocarburante per aerei, e ha annunciato di volerlo utilizzare per le Olimpiadi estive del 2020 , ma nessun aereo ha ancora volato con biocarburante prodotto dalla compagnia.
Nel 1960, i ricercatori Oswald e Golueke proposero l'uso delle microalghe nel trattamento delle acque reflue, attraverso la conversione della biomassa in biogas (metano) mediante il processo di fermentazione . Il principio ha consentito la bonifica biologica e il recupero della biomassa da diversi laghi che hanno subito l'eutrofizzazione. In particolare nel lago Salton Sea in California, quest'ultimo risente degli scarichi di varie industrie chimiche, con il rilascio di migliaia di tonnellate di azoto, potassio o addirittura fosfato. Per combattere, l'idea era quella di coltivare microalghe in grado di catturare nutrienti inorganici scaricati dalle industrie a livello dei vari affluenti del lago, con l'obiettivo di ripulire le popolazioni di microalghe autoctone presenti nel lago. La biomassa risultante viene quindi trasformata in biocarburante o biogas.
La maggior parte della ricerca sulle microalghe è finalizzato alla produzione di 3 ° generazione di biocarburanti .
Gli studi attuali mostrano che, per essere competitivi con i combustibili fossili, sarebbe necessario ottenere una resa produttiva tre volte superiore a quella odierna. Per fare ciò, le aziende sono sempre più interessate a modificare i ceppi di microalghe al fine, ad esempio, di migliorare la resa fotosintetica e la capacità di immagazzinare lipidi .
Mentre per secoli l'uomo ha adattato le specie coltivate sulla terra mediante selezione artificiale per ottenere raccolti migliori, le microalghe sono ancora praticamente intatte dalle modificazioni umane. Questo perché l'interesse per questi microrganismi è molto più recente. Esiste quindi un grande potenziale per migliorare la resa produttiva di molecole di interesse in queste microalghe, che potrebbero essere rapidamente sfruttate mediante modificazione genetica.
Pertanto, gli studi si concentrano sulla secrezione di polisaccaridi , molecole antiossidanti , lipidi altamente insaturi, o anche sull'aumento della concentrazione di questi nelle cellule mediante tecniche di transgenesi . Queste molecole hanno un forte interesse biotecnologico nell'industria cosmetica , farmaceutica o energetica.
Tuttavia, i vincoli limitano la coltivazione di microalghe geneticamente modificate: esiste infatti il rischio di disseminazione del ceppo modificato nell'ambiente. Se le modifiche apportate danno un vantaggio evolutivo al ceppo , quest'ultimo può prendere il sopravvento sugli altri, trasferire il gene integrato ad altre specie, creare fioriture e sconvolgere la biodiversità .
Questo rischio di diffusione in natura deve essere preso in considerazione e devono essere messi in atto protocolli per affrontarlo. Per questo sono favorite le colture in fotobioreattori chiusi e sono già stati depositati i brevetti per l'assemblaggio di geni suicidi, attivati quando la cellula si trova in un ambiente naturale.
Infine, gli OGM sono molto controversi in Francia, la maggior parte degli intervistati si è dichiarata sospettosa nei loro confronti, il che può danneggiare la redditività economica di un prodotto ottenuto da microalghe geneticamente modificate.
Le microalghe possono essere utilizzate per produrre proteine ricombinanti apprezzate in molti campi come l'industria farmaceutica, nutraceutica, cosmetica e della salute degli animali. La sintesi delle proteine ricombinanti può essere effettuata modificando il genoma nucleare o del cloroplasto a seconda del tipo di proteina desiderata.
L'uso del genoma nucleare consente l'accesso a tutti i macchinari eucarioti. Ciò consente l'espressione di transgeni in maniera indotta, il ripiegamento di proteine complesse nonché modificazioni post-traduzionali come la glicosilazione o la formazione di legami disolfuro, essenziali per l'attività biologica di alcune proteine eucariotiche.
Al contrario, i cloroplasti consentono l'accesso a un meccanismo di espressione procariotica, che include ribosomi e fattori di traduzione procariotici. Tuttavia, a differenza dei batteri, i cloroplasti contengono una gamma di proteine chaperone e isomerasi che sono coinvolte nel ripiegamento di proteine complesse nel sistema fotosintetico. Questo ambiente biochimico consente l'espressione di una classe interessante e potenzialmente preziosa di proteine terapeutiche, come le immunotossine (applicazione antitumorale e antivirale) che non possono essere espresse facilmente nei sistemi di espressione tradizionali. Infatti, in un sistema di espressione eucariotico come i lieviti e le linee cellulari di mammifero, le tossine sintetizzate prendono di mira il meccanismo di traduzione proteica e quindi inibiscono la proliferazione delle cellule ospiti. La produzione di immunotossine dimostra un'applicazione unica del sistema dei cloroplasti perché nessun altro sistema di produzione è attualmente in grado di esprimere questo tipo di proteina chimerica.
Sistemi procariotici come Escherichia coli, invece , non consentono il corretto ripiegamento di proteine complesse, come gli anticorpi, il che implica l'utilizzo di costosi sistemi ex-vivo per ottenere un'adeguata strutturazione tridimensionale per ottenere proteine biologicamente attive.
Laboratori: